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      蘇州萊瑞測信息科技有限公司

      如何實現開關電源EMI衰減?有源濾波可以解決

      ?? 2022-07-17 電子工程專輯Bill Schweber510
      本文導讀:由開關拓撲功率器件(即使是小功率器件)所產生的噪聲所引起的電磁干擾(EMI),是一個持續存在的問題。噪聲不僅會影響其直接電路負載,而且傳導EMI和輻射EMI還會損壞附近的電路如果涉及低電壓傳感器,這兩種情況都特別
      由開關拓撲功率器件(即使是小功率器件)所產生的噪聲所引起的電磁干擾(EMI),是一個持續存在的問題。噪聲不僅會影響其直接電路負載,而且傳導EMI和輻射EMI還會損壞附近的電路——如果涉及低電壓傳感器,這兩種情況都特別嚴重。
      來自各種監管機構的許多標準都定義了在規定條件下所測量的EMI的最大容限。最常被引用的監管規定是面向汽車應用的CISPR 25和面向多媒體設備的CISPR 32,但也還有其他規定(CISPR是國際無線電干擾特別委員會的縮寫)。
       
      毫不奇怪,沒有哪個單一“最佳”技術,可以最小化EMI并使其保持在監管限制以及負載可承受的范圍以內。解決方案通常是噪聲頻率的函數,以及需要實現多少衰減,并且通常需要使用兩種或多種方法的組合。其中一些降噪技術是針對違規開關電源設計本身的內部技術(圖1)。
       
      圖1:抑制傳導噪聲和輻射噪聲沒有單一、簡單的解決方案;根據噪聲的頻率和幅度,需要使用一種或多種技術。(圖片來源:德州儀器)
       
      即便如此,通常仍然需要加外部濾波,并且通常是以無源濾波器拓撲的形式由電阻、電感和電容(RLC)所組成。但是這種濾波器的性能及其大部分無源元件都存在限制。
       
      除了標準無源濾波器之外,還有其他方案,例如“有源濾波”,德州儀器(TI)將其集成到了其LM25149同步降壓DC/DC控制器中。有源濾波有點類似于耳機甚至某些汽車中所使用的有源消噪——在這種情況下,是將與不期望的信號大小相等、方向相反的信號添加到信號加噪聲中,從而產生相當好的消噪效果。然而,噪聲是非電子的,必須通過麥克風捕捉,這就帶來了許多復雜的問題。
       
      相比之下,開關電源的EMI已經是電子形式,因此更容易捕獲、反轉和消除。在有源濾波的情況下,我們(或電路)對噪聲的細節了解得越多——除了其幅度、頻率和概率分布等一般特征以外——開發方案來對抗它就越容易。
       
      雖然這看起來像是一個電源與噪聲的場景,但它屬于更廣泛的信號理論主題。使用H.L. Van Trees在他滿是經典方程的三卷教科書系列“Detection, Estimation, and Modulation Theory(檢測、估計和調制理論)”中所分析的分類,這是具有已知信號(此處為平坦電壓輸出軌)和已知噪聲(具有已知頻率范圍和一般特性的相關EMI噪聲)的一個案例。因此,它是最適合實現成功解決方案的信號與噪聲挑戰類型。
       
      在這種情況下,有源濾波的好處是減少了有源濾波DC/DC解決方案的整體體積,主要是因為抵消電路只需要使用小得多的無源濾波器,而不是較大的“蠻力”無源濾波器(圖2)。德州儀器提供了顯示最終濾波性能的數據和圖表(參考文獻2和3)。
      圖2:雖然常用的無源濾波器(a)可以提供足夠的降噪,但有源濾波器(b)使用較小的無源元件就可以做到這一點,從而大大減少了占板面積和體積。(圖片來源:德州儀器)
       
      請注意,有源濾波器和有源濾波這兩個詞組之間存在一些混淆的可能性。工程師都很熟悉無源濾波器,顧名思義,它實現了RLC拓撲。對于許多電子工程師來說,僅僅提到濾波器——尤其是無源濾波器——就會使他們回想起諸如巴特沃斯、切比雪夫、貝塞爾、橢圓(Cauer)、高斯和Sallen-Key等神秘方程和拓撲,但那是另一回事了。
       
      相比之下,有源濾波器使用放大器(運算放大器)來設置濾波器響應的增益和相位。與無源濾波器相比,有源濾波器具有許多其他功能優勢,例如高輸入阻抗和低輸出阻抗,從而在級與級之間提供良好的隔離。這極大地簡化了級聯多個級來改善濾波器特性的情況。然而,有源濾波器(名詞)仍然只是一個沒有反向消噪通路的正向信號通路濾波器。它與有源濾波(動詞)不同。
       
      您是否曾經使用過諸如有源濾波之類的高級方法?您對期望的信號和相關噪聲又了解多少?最后結果是否如您預期的一樣好,還是“現實世界”的不完美會影響您所取得的性能?
       
      參考文獻
      1.“Detection, Estimation, and Modulation Theory,” Harry L. Van Trees, Wiley.
      2.“Introduction to EMI: Standards, causes and mitigation techniques,” Texas Instruments.
      3.“How to reduce EMI and shrink power-supply size with an integrated active EMI filter,” Texas Instruments.
      4.“LM25149 DC/DC controller data sheet,” Texas Instruments
      本文授權編譯自EDN美國版,原文參考鏈接:Active filtering: Attenuating switching-supply EMI。由趙明燦編譯。)
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      宝贝乖~腿开大一点就不疼了
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